磁铁原理

磁场自宇宙诞生以来就存在,就像万有引力-样,碰场是看不见的,但可以观察和感觉到。与地球- -样,它由北极和南极代表。磁铁的所有基本功能都围绕著北极和南极的基本原理展开。无论形状、大小强度或制造方式如何,每个碰铁都至少有-个北极和南极,从中发射出连接磁力线。

磁铁基本概念和定义

磁场可以用感应线或磁通线表示。这些线是不可见的,由磁化材料或电流产生。磁场本质上是电场,由长直线电流引起的磁场如图1所示。

磁通线是连续的并以闭环形式存在。磁通量的单位称为麦克斯韦(Maxwell)(线)。任意点的磁通密度 (B) 定义为通过与磁通线方向垂直的区域的磁通线数。磁通密度(B)称为高斯(每平方厘米的线数),它是一个向量(任意点的大小和方向)。磁通密度 (B) 的单位是高斯,对应于每平方厘米 1 条线(或每平方英寸 6.54 条线)。

认识到磁通线总是围绕产生它们的电流线形成闭合路径是很重要的。

由直线电流产生的场与电流大小成正比,与与电流线的垂直(径向)距离成反比。它还与定义为存在场的介质(通常围绕电流线)的渗透率有关。

不同材料的渗透率差异很大。它们也可以在给定的材料内变化,受磁场强度的影响是非线性的。

图 1:长直导体周围磁场的简化表示

对于图 1 中的简单配置:

B = 0.0787 (m r I/r)

其中:    B = 磁通密度(高斯)

mr = 空气相对磁导率

I = 电流(安培)

r = 径向距离(英寸)。

只要磁导率保持不变,由任意数量的电流线引起的场都是相加的。图 2显示了相同方向和相反方向的两条长电流线的合成场。

图 2   左侧是两条平行导线的组合磁场模式,右侧显示电流方向相反时的磁场模式

图2

两根同向电流导线之间存在的场很低,这会产生一种力,将导线拉向彼此(同向电流具有吸引力)。当两根导线承载沿相反方向流动的电流时,存在的场强并且这会产生将导线相互推开的力(相反方向的电流具有排斥力)。与单匝电流相关的场如图 3所示。螺线管的管内存在强且相对均匀的磁场,如图4所示。

锚点图 3:围绕圆形转弯的感应线 锚点图 4:电磁阀周围的感应线
图 3

图 4

两个永磁体的磁场配置如图 5 所示。磁铁(a)的磁气从一个北极端到南极端的回气路径长,所以磁性(磁通密度)弱,而磁铁(b)的回气路径短,所以磁性(通量密度)是强烈的。

图 5:永磁体的磁场线图

A) 条形磁铁

B)马蹄形磁铁

图 5a

图 5b

图 6展示了由铁屑勾勒出的不可见磁场模式。

图 6:铁屑磁场模式照片

A)条形磁铁

图 6a

B)长直导线中的电流

图 6b

C)线圈中的电流

图 6c

D)螺线管中的电流

图 6d

 

 

图 7说明了地球磁场的性质。产生的外部磁场类似于位于地球中心内部的大型条形磁铁产生的磁场。流行的理论是磁化力来自地球中心岩浆的电子自旋和旋转。

图 7:地球磁场的简化图

图 7

铁磁材料,例如大多数钢,具有磁滞特性。图 8显示了一个典型的磁滞回线。纵轴(纵坐标)表示材料内的磁通密度(B),横轴(横坐标)表示施加的磁力或 MMF (H)。

图 8:迟滞环

数量 H 与施加的安匝数除以磁路长度有关。磁路可以由钢和空气路径的组合组成,并且 MMF(或 H)根据路径段长度和磁导率在各个路径段之间划分。

例如,让图 8 中的H代表总 MMF 中作用于铁磁材料或钢部件的部分。如果钢最初未磁化,则由标记为 0 的点描述。磁场 (B) 为零,施加的 MMF (H) 为零。如果施加的 MMF 等于距离 0-g,则材料条件由点 b 定义。在这一点上,材料中有一个与距离 gb 成正比的场。如果 MMF 或激发场然后减少到零,则材料状态移动到点 d。MMF 为零,但仍有残余或剩磁 (Br)。

如果 MMF 连续重复地反转,材料磁性状态将遵循路径,称为磁滞回线,如图所示。

对一块钢进行消磁(也称为消磁)以去除其剩磁的过程包括反复施加反向且逐渐减小的 MMF。效果如图 9 所示。

图 9:

铁磁样品去磁操作期间的连续磁滞回线

该过程会产生周期性递减的剩余磁场水平,如果操作得当,会在原点终止,即零磁点。那是除了地球的磁性,它无法通过消磁去除,在附近没有磁性结构或沉积物的情况下,其水平范围从 0 到 ½ 高斯。

一些用于计算磁场的有用方程如图 10所示。用于计算由磁场引起的力的方程如图 11所示,示例如图 12所示。

图 10: 几个简单配置的场方程

锚点A)电流线(在空气中)

图 10a

 

锚点B) N 匝线圈,携带 I 安培(在空气中)

图 10b

锚点C)气隙小的钢制路径

        (钢被认为对助焊剂的抵抗力可以忽略不计)

图 10c

B = 高斯,I = 安培,r = 英寸,S = 英寸,d = 英寸

图 11: 磁产生的力

锚点A)磁场中电流线上的力

图 11a

锚点B)两条电流线之间的力

图 11b

锚点C)两个钢面之间的力,它们之间有通量。(假设 B 是统一的)

图 11c

图 12:退磁过程中产生的力

图 12

  NI = 4000 安匝
  @ 1/2" 间距总气隙为 1" 长
(根据图 10c) B = (0.49 NI)/d总计= (0.49)(4000)/(1/2 + 1/2) = 1960 g
(根据图 11c) F = 0.578 AB 2 10 -6 = (0.578)(10)(1960) 2 10 -6 = 22.2 #
  @ 1/8" 间距 B = 7840 高斯
  F = 355 #